JP5849777B2 - 半導体装置、冷却システム、及び、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本願の開示する技術は、半導体装置、冷却システム、及び、半導体装置の製造方法に関する。

従来、積層された複数の半導体集積回路素子の各々に貫通ビアやマイクロ流路が形成された半導体装置や、積層された複数の半導体集積回路素子の間に貫通ビアやマイクロ流路が形成されたシリコン材が介在された半導体装置が知られている。

特表２００９−５１２２１５号公報

しかしながら、このような半導体装置では、半導体集積回路素子やシリコン材への多層薄膜や貫通ビア及びマイクロ流路の形成プロセス中の熱履歴により、半導体集積回路素子に作用する応力に起因する反りが生じる虞がある。

そこで、本願の開示する技術は、一つの側面として、半導体集積回路素子の反りを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願の開示する技術によれば、複数の半導体集積回路素子と、はんだバンプと、スペーサ基板とを備えた半導体装置が提供される。複数の半導体集積回路素子は、それぞれ貫通ビアを有し、積層されている。はんだバンプは、一方の半導体集積回路素子における貫通ビアと他方の半導体集積回路素子における貫通ビアとを接続している。スペーサ基板は、複数の半導体集積回路素子の間に介在されて複数の半導体集積回路素子の各々と接合されている。このスペーサ基板は、シリコン又はシリコンを含む化合物により形成された基材と、基材に形成された樹脂層とを有する。樹脂層は、はんだバンプに対応した位置にはんだバンプを収容する貫通孔をそれぞれ有している。また、樹脂層における複数の貫通孔の間には、冷媒を通過させるための溝が形成されている。

本願の開示する技術によれば、半導体集積回路素子の反りを抑制することができる。

半導体装置の側面断面図である。 図１の要部拡大図である。 半導体装置の製造方法を説明する第一説明図である。 半導体装置の製造方法を説明する第二説明図である。 半導体装置の製造方法を説明する第三説明図である。 冷却システムの平面図である。 半導体ユニットの側面断面図である。 図４の要部拡大図である。

以下に、本願の開示する技術の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、本実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係る半導体装置１０は、積層された複数の半導体集積回路素子１２と、それぞれ複数の半導体集積回路素子１２の間に介在された複数のスペーサ基板１４とを備えている。本実施形態では、一例として、半導体装置１０が四層の半導体集積回路素子１２を備えているが、半導体集積回路素子１２の層数は任意である。

各半導体集積回路素子１２は、シリコン層１６、回路層１８、及び、保護層２０を有している。回路層１８は、シリコン層１６の表面に形成されており、保護層２０は、回路層１８の表面を覆っている。

各半導体集積回路素子１２には、所定の間隔を空けて貫通ビア２２（スルーシリコンビア）が形成されている。最上層の半導体集積回路素子１２において、貫通ビア２２の一端部は、シリコン層１６にて終端されており、回路層１８により覆われている。一方、最上層の半導体集積回路素子１２を除くその他の半導体集積回路素子１２において、貫通ビア２２は、半導体集積回路素子１２の厚さ方向に貫通して形成されている。

各貫通ビア２２において半導体集積回路素子１２の厚さ方向に露出する端部には、電極２４がそれぞれ形成されている。そして、一方の半導体集積回路素子１２における貫通ビア２２の電極２４と、他方の半導体集積回路素子１２における貫通ビア２２の電極２４とは、はんだバンプ２６により接続されている。

各スペーサ基板１４は、基材２８と、樹脂層３０とを有している。基材２８は、一例として、シリコン又はシリコンを含む化合物により形成されており、スペーサ基板１４における厚さ方向の一方側（矢印Ｄ側）に位置されている。図２に示されるように、この基材２８には、貫通ビア２２と同軸上に貫通孔３２が形成されている。この貫通孔３２は、第一貫通孔の一例である。また、この基材２８において隣り合う貫通孔３２の間には、土台部３４が形成されており、この基材２８における両側の縁部には、その他の土台部３６が形成されている（図１も参照）。

そして、この基材２８は、矢印Ｄ側に位置する一方の半導体集積回路素子１２における回路形成面１２Ａと熱伝導性接着剤３８により接合されている。この熱伝導性接着剤３８には、熱伝導率の高い材料、例えば、窒化アルミ等を含むものが使用される。

樹脂層３０は、絶縁性を有する樹脂材料、例えば、感光性を有するポリイミド樹脂により形成されている。この樹脂層３０は、スペーサ基板１４における厚さ方向の他方側（矢印Ｕ側）から土台部３４，３６を覆っている。各半導体集積回路素子１２において、回路形成面１２Ａと反対側の面は、非回路形成面１２Ｂとされており、樹脂層３０は、矢印Ｕ側に位置する他方の半導体集積回路素子１２の非回路形成面１２Ｂと密着状態で接合されている。

また、樹脂層３０における貫通孔３２の内側の部位、すなわち、はんだバンプ２６に対応した位置には、スペーサ基板１４の厚さ方向に貫通する貫通孔４０がそれぞれ形成されている。この貫通孔４０は、貫通孔及び第二貫通孔の一例である。この貫通孔４０の内周面には、電極２４間で潰れた状態とされた上述のはんだバンプ２６が接触されている。

また、この樹脂層３０における複数の貫通孔４０の間の部位には、他方の半導体集積回路素子１２側（矢印Ｕ側）に開口する溝４２（マイクロ流路）が形成されている。この溝４２は、後述する如く例えば水などの冷媒を通過させるためのものであり、樹脂層３０に形成された一対の側壁部４４の間に形成されると共に、土台部３４を底部として形成されている。

また、上述の如く樹脂層３０が非回路形成面１２Ｂと密着状態で接合されることにより、溝４２は非回路形成面１２Ｂにより密閉されている。この溝４２の内壁面及び底面には、例えば、パリレン蒸着等により保護膜４６が形成されている。この保護膜４６は、絶縁性を有する樹脂材料により形成されている。

なお、図６に示されるように、上述の貫通孔４０及びはんだバンプ２６は、半導体装置１０の幅方向（矢印Ｗ方向）だけでなく、半導体装置１０の奥行き方向（矢印Ｌ方向）にも配列されている。また、上述の溝４２は、半導体装置１０の奥行き方向（矢印Ｌ方向）に沿って延びている。

次に、上述の半導体装置１０の製造方法について説明する。

先ず、図３Ａの上図に示されるように、一例としてシリコンにより形成された基材２８に、その厚さ方向一方側（矢印Ｄ側）に開口する複数の凹部４８がフォトエッチングにより形成される。

続いて、図３Ａの中図に示されるように、基材２８の厚さ方向一方側（矢印Ｄ側）から基材２８に支持台座５０が貼り合わされる。この支持台座５０の貼り合わせには、例えば、ＵＶテープや熱発泡テープが用いられる。また、支持台座５０としては、例えば、テンパックガラスが用いられる。

そして、図３Ａの下図に示されるように、基材２８の厚さ方向他方側（矢印Ｕ側）の面２８Ａが研磨され、上述の凹部４８により貫通孔３２が形成される。この研磨には、例えば、フッ酸（フッ化水酸素）を用いた化学研磨が用いられる。

次いで、図３Ｂの上図に示されるように、基材２８に樹脂層３０が形成される。この樹脂層３０は、一例として、感光性を有するポリイミド樹脂とされる。そして、これにより、基材２８において隣り合う貫通孔３２の間に形成された土台部３４と、基材２８における両側の縁部に形成されたその他の土台部３６とが、基材２８の厚さ方向他方側から樹脂層３０により覆われる。また、この樹脂層３０により貫通孔３２が閉塞される。このとき、樹脂層３０における貫通孔３２と対応する位置には、基材２８の厚さ方向他方側（矢印Ｕ側）に開口する凹部５２が形成される。

続いて、図３Ｂの中図に示されるように、例えば、フォトエッチングにより、樹脂層３０における貫通孔３２の内側の部位に貫通孔４０がそれぞれ形成される。また、このフォトエッチングにより、樹脂層３０における土台部３４を覆う部位には、この土台部３４を底部とする溝４２が形成される。さらに、この溝４２の内壁面及び底面には、例えば、パリレン蒸着等により保護膜４６が形成される。

そして、基材２８及び樹脂層３０から支持台座５０が取り外されて、図３Ｂの下図に示される如く基材２８及び樹脂層３０を有するスペーサ基板１４が形成される。このとき、支持台座５０は、例えば、紫外線光照射により取り外される。

次いで、図３Ｃの上図に示されるように、スペーサ基板１４の厚さ方向一方側の面１４Ａが、一方の半導体集積回路素子１２における回路形成面１２Ａに熱伝導性接着剤３８により接合される。また、貫通孔４０に収容したはんだバンプ２６により、一方の半導体集積回路素子１２における貫通ビア２２の電極２４と、他方の半導体集積回路素子１２における貫通ビア２２の電極２４とが接合される。

また、このはんだ接合の際に、加圧及び加熱されることで、スペーサ基板１４の厚さ方向他方側の面１４Ｂが、他方の半導体集積回路素子１２における非回路形成面１２Ｂと熱溶着されて接合される。

そして、以上により、図３Ｃの下図に示されるように、複数の半導体集積回路素子１２、複数のはんだバンプ２６、及び、スペーサ基板１４を有する半導体装置１０が得られる。

次に、上述の半導体装置１０及びその製造方法の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、本実施形態に係る半導体装置１０によれば、図１，図２に示される如く、冷媒を通過させるための溝４２が形成された樹脂層３０を有するスペーサ基板１４を備えている。そして、このスペーサ基板１４が、複数の半導体集積回路素子１２の間に介在されて複数の半導体集積回路素子１２の各々と接合されている。従って、貫通ビア２２が形成されることより半導体集積回路素子１２に反りが生じる場合でも、この反りをスペーサ基板１４により矯正することができる。これにより、半導体集積回路素子１２の反りを抑制することができるので、例えば、半導体集積回路素子１２の積層時の位置ずれや、半導体集積回路素子１２の接合不良等を抑制することができる。

しかも、スペーサ基板１４の樹脂層３０に形成された溝４２に冷媒が通過されるので、半導体装置１０を冷却することができる。

また、絶縁性を有する樹脂層３０に溝４２が形成されているので、溝４２とはんだバンプ２６や貫通ビア２２とを絶縁することができる。

また、絶縁性を有する樹脂層３０に溝４２が形成されることにより、この樹脂層３０とは別に絶縁層を設ける必要が無い。これにより、構造を簡素化することができる。また、溝４２を形成するために、シリコン同士の接合も不要であるため、製造も容易に行うことができる。従って、これらにより、コストダウンすることができる。

また、はんだバンプ２６は、樹脂層３０に形成された貫通孔４０の内周面と接触されている。これにより、はんだバンプ２６を保護することができると共に、半導体集積回路素子１２の間に挿入されるアンダーフィル材を不要にすることができる。

また、スペーサ基板１４の基材２８として、シリコン又はシリコンを含む化合物により形成されたものを使用しているので、基材２８の加工が容易であり、コストダウンすることができる。

また、基材２８は、一方の半導体集積回路素子１２における回路形成面１２Ａと熱伝導性接着剤３８により接合されている。従って、基材２８と回路形成面１２Ａとの間の熱伝達性を向上させることができ、ひいては、冷媒による冷却性を向上させることができる。

また、樹脂層３０は、他方の半導体集積回路素子１２における非回路形成面１２Ｂと接合されている。従って、回路形成面１２Ａが凹曲面を成すように半導体集積回路素子１２が反った場合でも、この反りをより効果的に矯正することができる。

また、樹脂層３０は、吸水性の低いポリイミド樹脂により形成されているので、溝４２を通過する冷媒に液体が使用された場合でも、この冷媒の漏れを抑制することができる。

また、溝４２の内壁面及び底面には、保護膜４６が形成されている。従って、溝４２における絶縁性及び耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１０の製造方法では、はんだバンプ２６により複数の半導体集積回路素子１２における貫通ビア２２を接合する際に、加圧及び加熱することで、樹脂層３０と非回路形成面１２Ｂとを接合する。従って、製造工程の増加を抑制できる。

次に、上述の半導体装置１０及びその製造方法の変形例について説明する。

上記実施形態では、図３Ｂに示される貫通孔４０及び溝４２の形成のために、フォトエッチングが用いられていたが、例えばレーザ加工や、ドリルによる機械加工等のその他の加工方法が用いられても良い。

また、樹脂層３０は、ポリイミド樹脂により形成されていたが、その他にも、例えば、エポキシ樹脂等により形成されていても良い。なお、樹脂層３０がエポキシ樹脂により形成された場合には、フォトエッチング若しくは炭酸ガス等のレーザ加工により、貫通孔４０及び溝４２が形成されても良い。

また、樹脂層３０は、その他にも、例えば、液状ワニスをスピンコートすることにより、若しくは、複数の樹脂フィルムをラミネートすることにより成膜されても良い。

また、図２に示される保護膜４６は、パリレン蒸着により形成されていたが、その他の方法により形成されても良い。

また、樹脂層３０では、隣り合う貫通孔３２の間に形成された土台部３４を覆う部位に溝４２が形成されていたが、基材２８における両側の縁部に形成されたその他の土台部３６を覆う部位にも、この土台部３６を底部とする溝４２が形成されても良い。

次に、上述の半導体装置１０を備えた冷却システム６０について説明する。

図４に示されるように、本実施形態に係る冷却システム６０は、上述の半導体装置１０を有する半導体ユニット６２、一対のマニフォールド６４，６６、配管６８、ポンプ７０、及び、熱交換器７２を備えている。

半導体ユニット６２は、図５に示されるように、上述の半導体装置１０に加え、ヒートシンク７４、パッケージ基板７６、及び、配線基板７８を備えている。

ヒートシンク７４は、上壁部８０及び脚部８２を有している。上壁部８０は、最上層の半導体集積回路素子１２における回路形成面１２Ａと接している。この上壁部８０には、半導体装置１０と反対側に延びる複数のフィン８４が形成されている。また、脚部８２は、パッケージ基板７６に固定されている。

パッケージ基板７６の表面には、複数の電極８６が形成されており、この電極８６は、最下層の半導体集積回路素子１２に形成された電極２４とはんだバンプ８８により接続されている。また、パッケージ基板７６の裏面には、複数の電極９０が形成されており、この電極９０は、配線基板７８の表面に形成された電極９２とはんだバンプ９４により接続されている。

図６に示されるように、一方のマニフォールド６４は、溝４２の入口と接続されており、他方のマニフォールド６６は、溝４２の出口と接続されている。

配管６８は、ブチルゴムやフッ素ゴムなどの樹脂製、又は、銅やステンレスなどの金属製を使用し、一方のマニフォールド６４と他方のマニフォールド６６とを繋いでいる。図４に示されるポンプ７０は、配管６８を通じて一方のマニフォールド６４から他方のマニフォールド６６へ冷媒を循環させるよう駆動する。また、熱交換器７２は、配管６８に取り付けられている。

そして、この冷却システム６０では、ポンプ７０が駆動すると、配管６８を通じて一方のマニフォールド６４から他方のマニフォールド６６へ冷媒が循環される。また、溝４２を通過する際に受熱された冷媒は、熱交換器７２へ移動され、この熱交換器７２において外気と熱交換されて冷却される。そして、熱交換器７２において冷却された冷媒は、再び溝４２を通過する。

従って、この冷却システム６０によれば、溝４２に冷媒を通過させることができるので、半導体装置１０を冷却することができる。

以上、本願の開示する技術の一態様について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０ 半導体装置
１２ 半導体集積回路素子
１２Ａ 回路形成面
１２Ｂ 非回路形成面
１４ スペーサ基板
１４Ａ スペーサ基板の厚さ方向一方側の面
１４Ｂ スペーサ基板の厚さ方向他方側の面
２２ 貫通ビア
２６ はんだバンプ
２８ 基材
２８Ａ 基材の厚さ方向他方側の面
３０ 樹脂層
３２ 貫通孔（第一貫通孔の一例）
３４ 土台部
３８ 熱伝導性接着剤
４０ 貫通孔（第二貫通孔の一例）
４２ 溝
４６ 保護膜
４８ 凹部
５０ 支持台座
６０ 冷却システム
６２ 半導体ユニット
６４，６６ 一対のマニフォールド
６８ 配管
７０ ポンプ
７２ 熱交換器

Claims (9)

1. それぞれ貫通ビアを有し、積層された複数の半導体集積回路素子と、
   一方の前記半導体集積回路素子における前記貫通ビアと他方の前記半導体集積回路素子における前記貫通ビアとを接続するはんだバンプと、
   複数の半導体集積回路素子の間に介在されて前記複数の半導体集積回路素子の各々と接合されたスペーサ基板と、
   を備え、
   前記スペーサ基板は、
   シリコン又はシリコンを含む化合物により形成された基材と、
   前記基材に形成されると共に、前記はんだバンプに対応した位置に前記はんだバンプを収容する貫通孔をそれぞれ有し、且つ、複数の前記貫通孔の間に冷媒を通過させるための溝が形成された樹脂層と、
   を有する半導体装置。
2. 前記貫通孔は、前記樹脂層に形成され、
   前記はんだバンプは、前記貫通孔の内周面と接触されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基材は、前記一方の半導体集積回路素子における回路形成面と熱伝導性接着剤により接合されている、
   請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記樹脂層は、前記他方の半導体集積回路素子における回路形成面とは反対側の非回路形成面と接合されている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記樹脂層は、ポリイミド樹脂により形成されている、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記溝の内壁面及び底面には、保護膜が形成されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置と、
   前記溝の入口及び出口と接続された一対のマニフォールドと、
   前記一対のマニフォールドの一方と他方とを繋ぐ配管と、
   前記配管を通じて前記一対のマニフォールドの一方から他方へ冷媒を循環させるポンプと、
   前記配管に取り付けられた熱交換器と、
   を備えた冷却システム。
8. 基材に、その厚さ方向一方側に開口する複数の凹部を形成し、
   前記基材の厚さ方向一方側から前記基材に支持台座を貼り合わせ、
   前記基材の厚さ方向他方側の面を研磨して前記凹部により第一貫通孔を形成し、
   前記基材において隣り合う前記第一貫通孔の間に形成された土台部を前記基材の厚さ方向他方側から覆うと共に前記第一貫通孔を閉塞する樹脂層を前記基材に形成し、
   前記樹脂層における前記第一貫通孔の内側の部位に第二貫通孔をそれぞれ形成すると共に、前記樹脂層における前記土台部を覆う部位に前記土台部を底部とする溝を形成し、
   前記基材及び前記樹脂層から前記支持台座を取り外して前記基材及び前記樹脂層を有するスペーサ基板を形成し、
   前記スペーサ基板の厚さ方向一方側の面を一方の半導体集積回路素子における回路形成面に接合すると共に、前記スペーサ基板の厚さ方向他方側の面を他方の半導体集積回路素子における回路形成面とは反対側の非回路形成面と接合し、且つ、前記第二貫通孔に収容したはんだバンプにより前記一方の半導体集積回路素子における貫通ビアと前記他方の半導体集積回路素子における貫通ビアとを接合して、複数の前記半導体集積回路素子、前記はんだバンプ、及び、前記スペーサ基板を有する半導体装置を得る、
   半導体装置の製造方法。
9. 前記はんだバンプにより複数の前記半導体集積回路素子における前記貫通ビアを接合する際に、加圧及び加熱することで、前記スペーサ基板の前記樹脂層と前記他方の半導体集積回路素子における前記非回路形成面とを接合する、
   請求項８に記載の半導体装置の製造方法。

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